TPP6 Interaction lumière matière (Correction)

TP P6
1S
Interaction
lumière – matière
CORRECTION
Sources de
lumière colorée
Chapitre 5 page 78
I. Spectre d’émission de l’atome de mercure
1) Spectre de raies :
Expérience professeur :
Q1. L’ampoule utilisée contient-elle un filament de tungstène ? Si non que contient-elle ?
Elle ne contient pas de filament, mais du mercure gazeux sous basse pression
Q2. Quelle est l’allure du spectre obtenu ?
Le spectre contient des raies colorées sur fond noir.
Q3. La tension d’alimentation de l’ampoule joue-t-elle un rôle :
- sur la couleur émise ? non, la couleur reste bleutée.
- sur l’allure du spectre ? non, il est seulement plus ou moins lumineux.
Q4. De quel facteur dépend la couleur émise par une lampe spectrale ?
La couleur émise dépend du gaz présent dans l’ampoule.
2) Interprétation du spectre de raies :
a) Diagramme d’énergie de l’atome de mercure :
Q5. Diagramme d’énergie à l’échelle 1 cm 1 eV
E
(en eV)
0 eV
E∞ état ionisé
E8 = –1,57
E7 = –1,56
Transition 85 : émission photon λ = 577 nm
E6 = –2,68 eV
Transition 64 : émission photon λ = 547 nm
E5 = –3,71 eV
Transition 62 : émission photon λ = 406 nm
E4 = –4,95 eV
E3 = –5,52 eV
E2 = –5,74 eV
E1 = –10,38 eV
Q6. Transition
85
84
64
62
|∆E|
3,71 - 1,56 = 2,15 eV
4,95 - 1,56 = 3,39 eV
4,95 - 2,68 = 2,27 eV
5,74 - 2,68 = 3,06 eV
TPP6 Correction 1
Q7. ∆E =
λ(nm)=
λ
h.c
∆E
Transition
85
84
64
6 2
h.c
donc λ =
h.c
∆E
6, 63 × 10 × 3, 00 × 108
−34
=
∆E (eV ) × 1, 602 × 10 −19
× 109 =
1241, 57
∆E (eV )
λ (nm)
|∆E|
3,71 - 1,56 = 2,15 eV
4,95 - 1,56 = 3,39 eV
4,95 - 2,68 = 2,27 eV
5,74-2,68 = 3,06 eV
577 nm
366 nm
547 nm
406 nm
b) Confrontation spectre – diagramme d’énergie :
Q8. Une raie du spectre d’émission apparaît sous quelle forme sur cette courbe ?
Sur cette courbe, une raie du spectre d’émission apparaît sous forme d’un pic.
Transition 8 5
λ = 577 nm
Transition 6 2
λ = 406 nm
Transition 6 4
λ = 547 nm
Q9. Quelles transitions vues en Q6 retrouve-t-on sur cette courbe ?
4, puisque celle-ci appartient
On retrouve toutes les transitions sauf celle du niveau 8
aux UV, non présents dans la courbe.
Q10. Sur le diagramme d’énergie de l’atome de mercure, représenter par des flèches courbes
les transitions identifiées. Voir diagramme précédent.
TPP6 Correction 2
II. Spectre d’absorption du mercure :
Q11. Quelle est l’allure du spectre de la lumière émise par le filament de tungstène ?
Le spectre de la lumière émise par le filament de tungstène est continu et il contient
toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.
Ouvrir le fichier « 1S-TPP6-Spectres_Abs_Em.swf ».
Q12. En agissant sur la simulation, obtenir le spectre d’absorption du mercure. Pourquoi ce
spectre contient-il des raies noires ?
Le mercure gazeux absorbe certaines radiations lumineuses, cela se traduit par des raies
noires dans son spectre d’absorption.
Spectre d’émission
Spectre d’absorption
Q13. En agissant sur la simulation, comparer les spectres d’émission et d’absorption du
mercure.
Les raies présentes dans les deux types de spectre sont situées aux mêmes longueurs
d’onde
Un atome peut émettre des photons de mêmes longueurs d’onde que ceux qu’il peut
absorber.
III. Le spectre solaire :
Q14. Décrire le spectre solaire.
Le spectre solaire contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, mais il contient de
nombreuses raies noires très fines.
Q15. Quelle est l’origine du fond coloré continu de ce spectre ?
Le fond continu coloré est dû à l’émission de lumière en raison de la température élevée
du Soleil. Ce fond continu est d’origine « thermique ».
Q16. Comment les atomes ou les ions de la chromosphère interagissent-ils avec la lumière
émise par la photosphère ?
Les atomes ou les ions de la chromosphère absorbent des photons issus de la
photosphère.
Q17. Interpréter le fait que l’absorption de la lumière solaire se fasse sous forme de raies.
L’absorption de la lumière solaire se fait sous forme de raies, car l’énergie des atomes ou
des ions est quantifiée.
Q18. Le spectre de l’argon présenté ci-dessus est-il un spectre d’émission ou un spectre
d’absorption ? Justifier.
Le spectre présenté contient des raies colorées sur fond noir : c’est un spectre
d’émission.
TPP6 Correction 3
Q19. Mesurer les distances L entre la raie d’émission à 450 nm et les autres raies d’émission.
450
470
560
603
642
667
Longueur d’onde λ (nm)
Distance L (mm)
0
9
50
69
86
97
λ (nm)
ˆ (nm)
ˆ = f(L)
Courbe d’étalonnage
λ = f(L)
600
500
400
300
200
100
20
40
Raie n°
1
2
Q20. L (mm)
9
16
470
486
Q21. λ (nm)
Q22.
He /
H
Élément chimique
Mg
3) Analyse du spectre solaire
Q22. D’après le spectre d’absorption du
de l’hélium et du magnésium.
60
80
100
L (mm)
3
20
495
4
24,5
505
5
30
517
6
62
588
7
92
655
8
97
666
Fe
He
Mg
He
H
He
Soleil, la chromosphère contient de l’hydrogène,
IV. La chimie et les photons :
Q23. ∆E =
h.c
λ
: Les photons dont la longueur d’onde λ est plus faible possèdent une
énergie E = ∆E plus grande. La réaction nécessitait un apport suffisant d’énergie
lumineuse pour avoir lieu.
Q24. Pourquoi cette réaction est-elle qualifiée de photochimique ? (question Q20. Du TP C4)
On parle de réaction photochimique car des photons sont nécessaires à son déroulement.
V. L’effet photoélectrique :
Pour aller plus loin (à la maison)
http://www.labotp.org/TP1S.html, consulter l’animation « 1S-TPP6-photoelectric_fr.jar ».
Q25. Comment évolue l’intensité du courant quand λ varie ?
Pour λ supérieure à une certaine valeur, aucun électron ne circule.
Plus la longueur d’onde diminue et plus l’intensité du courant augmente.
Q26. Comment évolue l’intensité du courant lorsque l’intensité lumineuse varie ?
Si l’intensité lumineuse augmente alors l’intensité du courant augmente.
Hypothèse 1 : de l’énergie lumineuse est transmise en permanence aux électrons par la lampe. Lorsqu’un électron a
accumulé suffisamment d’énergie, il peut quitter l’atome et rejoindre la borne + de la pile.
Hypothèse 2 : l’énergie lumineuse est transmise aux électrons par paquets appelés « photons ». L’énergie d’un
photon dépend de la longueur d’onde de la lumière reçue.
Q27. Quelle hypothèse permet d’expliquer les évolutions constatées ?
L’hypothèse 1 est invalidée : elle ne permet pas d’expliquer que pour certaines longueurs
d’onde de la lumière incidente, aucun électron n’est arraché, et ce quelles que soient la
durée d’exposition et l’intensité lumineuse.
L’hypothèse 2 est conforme : seuls les photons d’énergie suffisante (donc de longueur
h.c
) provoquent la circulation d’un courant.
d’onde assez petite : E = ∆E =
λ
TPP6 Correction 4

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